출처 : https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/02767/022800001/

최근 전기자동차(EV) 이용자가 증가함에 따라 해결과제도 눈에 띄기 시작하였고 그로 인해 EV 시장의 확대가 둔화되고 있다. 그 과제란 짧은 항속거리, 긴 충전 시간, 그리고 특히 추울 때는 실질적인 용량이 감소하여 항속거리가 크게 줄어든다는 점이다.

그에 더해 기존의 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 전지(LIB)에는 충전 속도에 고유의 한계가 있다. 일본에서는 출력이 최대 90kW인 충전 스탠드 외에 미국 Tesla(테슬라)의 최대 250kW의 슈퍼차저가 있으며, 해외에서는 350kW 또는 그 이상의 충전 스탠드도 증가하고 있지만, 이들은 기본적으로는 더욱 용량이 큰 전지를 쌓는 업무용 EV나 EV 트럭을 대상으로 하며, 일반적인 EV에서 이용하더라도 충전 시간이 대폭 단축되는 것은 아니다. 지금까지 기업 측은 이러한 EV와 전지의 과제에 대해 사용자에게 적극적으로 알리지 않았다. 그것이 사용자의 불만과 실망이 되어 SNS 등에서 증폭 및 확산되었고, EV에 대한 역풍이 불게 된 한 가지 원인이 되었다.

이러한 과제를 대폭 개선하는 비장의 무기가 바로 “전고체 전지”다. 실제로 토요타 자동차가 2027년에 실용화할 것이라는 전고체 전지를 사용하면 안전성이 증가하고 섭씨 100도가 넘는 고온에서도 문제없이 작동하며 항속거리는 1000km 이상으로 늘어난다. 게다가 약 10분이면 충전할 수 있고, 섭씨 –30도와 같은 극저온에서도 용량이나 출력이 크게 저하되지 않는 EV를 실현할 수 있다.

토요타는 실리콘 음극을 채용할까

그러한 토요타 자동차의 특허에 따르면, 토요타는 원래 실리콘(Si) 합금 음극을 전고체 전지에 사용할 방침이었다(그림1). Si 합금 음극 또는 Si 음극은 충전 시 크게 팽창하며 방전 시 수축한다. 이 특허에서 토요타는 음극의 팽창과 수축에 대한 대응책으로서, 양극의 면적을 살짝 줄이고 양극을 직접 감싸는 제1수지의 탄성률을 그 바깥쪽 제2수지보다 작게 만드는, 즉 제1수지를 더욱 부드럽게 만들었다. 그렇게 하면 음극이 팽창했을 때 양극에 가해지는 압력을 넓게 퍼뜨릴 수 있다.

<그림1> 전고체 전지와 반고체 전지

토요타 자동차의 전고체 전지 특허 예(a). 실리콘(Si) 합금 음극을 채용하며 그 큰 팽창률에 대처하기 위해 양극의 면적을 줄인 부분에 부드러운 수지(제1수지)를 넣는다. 고체 전해질도 부드러운 황화물계일 것으로 추측된다. 중국 기업 대부분이 개발하는 반고체 전지에서는 음극으로 금속 리튬(Li)과 같은 용량 밀도가 더 높은 재료를 사용하기 때문에 해당 음극에 대해 안정적인 산화물계 고체 전해질을 사용하는 한편, 양극 측에서는 기존의 액체 전해질을 사용한다(b).

토요타 자동차는 고체 전해질로 이데미쓰코산과 공동으로 개발한 황화물계 재료를 채용할 것으로 보이는데, 이 재료는 고체 전해질의 재료계 중에서 비교적 부드러운 것으로 알려져 있다. 이 부드러움도 Si 합금 음극의 팽창과 수축을 흡수하는 데 도움이 될 것으로 보인다.

중국 세력은 반고체 전지를 선택

한편 지금까지 중국의 전지 기업들은 대부분 전고체 전지에 회의적이었으며 ‘반고체 전지’라 불리는 독자적인 차세대 전지를 실용화하려 했다. 당초에는 전고체 전지를 개발했었지만 단념하고 반고체 전지로 전환한 기업도 있다.

이러한 반고체 전지는 대부분 음극 활물질로 금속 리튬(Li)을 사용한다(그림1(b)). 이 금속 Li 음극은 Si 음극보다 용량 밀도가 크기 때문에 전지의 중량 에너지 밀도를 높이기 쉽다. 반면에 반응성이 높고 일반적인 액체 전해질 및 황화물계 고체 전해질은 환원되어 분해되고 만다. 그러므로 음극과의 계면에는 환원 내성이 높은 폴리머계나 산화물계 고체 전해질을 사용한다. 하지만 산화물계 고체 전해질은 딱딱하며 입자 형태의 양극 활물질과의 접촉 면적이 줄어들어 계면 저항이 커지기 때문에, 양극 측에서는 기존의 액체 전해질을 사용한다. 이것이 반고체 전지라 불리는 이유다. (주1) 중국의 연구자들 중에는 ‘고액 혼합 전지’라 부르는 사람도 있다.

주1) 단, 반고체 전지에는 다른 한 종류가 더 있다. 고체와 액체의 중간이라 할 수 있는 겔 형태, 또는 점토 형태의 전해질을 사용하는 전지로서 미국 24M Technologies가 개발했다.

이 반고체 전지의 개발은 비교적 순조로우며, 전지 교체식 EV 사업을 전개하는 중국 상하이 니오(NIO)는 2023년 12월에 반고체 전지를 탑재한 당사의 EV가 중국 국내의 고속도로를 1000km 이상, 중간에 충전하지 않고 주행하는 모습을 당사의 SNS 앱을 통해 생중계하여, 반고체 전지에서도 항속거리가 1000km인 EV를 실현할 수 있음을 증명했다. (주2)

주2) 상하이시에서 중국 남부 샤먼시에 있는 휴게소까지 1,044km의 거리를 약 14시간에 걸쳐 주행했다.

토요타의 발표로 중국도 변화

이러한 배경 때문인지 중국에서는 적어도 2023년 여름까지 언제 실용화될지 알 수 없는 전고체 전지보다 반고체 전지가 훨씬 ‘올바른 선택’이라 여기는 분위기가 자동차 기업, 전지 기업, 해당 업계의 언론 사이에 팽배해졌다. 중국의 차량용 전지 기업인 CATL(닝더스다이)도 전고체 전지의 조기 실용화에는 계속해서 부정적인 입장이었다.

그런데 2023년 가을에 그 바람의 방향이 크게 바뀌었다. 그것은 아마도 토요타 자동차가 2027~2028년에 실용화하고, 앞서 말한 것처럼 1000km 이상의 항속거리와 충전 시간 10분이라는, 지금까지보다 훨씬 구체적인 전고체 전지의 성능과 개발 로드맵을 제시했기 때문이라고 보여진다.

CATL도 그전까지의 부정적인 태도를 바꾸었다. 예를 들어, 2023년 11월 8일에 동사의 이사인 판첸이 일본에 방문하여 일본경제신문이 주최하는 ‘닛케이 포럼 제25회 세계 경영자 회의’에서 강연을 했는데, 거기서 ‘(전고체 전지의) 연구개발과 대량 생산에 주력하여 전 세계의 리더가 될 것’이라고 밝힌 바 있다.

All 차이나 개발 체제가 시동

그리고 2024년 1월 21일에는 베이징의 칭화대학에서 ‘중국 전고체 전지 산학연 협력 혁신 플랫폼(China All-Solid-State Battery Collaborative Innovation Platform : CASIP)’의 설립 총회가 열렸다.

칭화대학의 오양밍가오 교수가 발기인이 되어 결성한 ‘올차이나’로 전고체 전지를 실용화하려는 조직 ‘중국 전고체 전지 산학연 협력 혁신 플랫폼(China All-Solid-State Battery Collaborative Innovation Platform : CASIP)’이 설립되었다.

이것은 일본의 ‘산관학 연계’의 중국판이라 할 수 있는 ‘관(정계)-산(기업)-학(학회)-연(연구기관)-금(금융)’ 각계에서 인재를 모아 전고체 전지를 연구 개발하여 실용화를 앞당기는, 이른바 ‘All 차이나’ 시책이라 할 수 있다.

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